JP2014195366A - 電動車両 - Google Patents

Abstract

【課題】発進時のペダル操作感が従来の自転車の操作感に沿うものであって、さらに加速時の運転者への負担が軽減される電動車両を提供する。
【解決手段】
車速Ｖが所定値βより小さい場合には、ペタルトルクＴに基づいて駆動モータの出力トルクＴｍを決定し、所定値βよりも大きい場合には、ペダル回転数Ｎに基づいて駆動モータの出力トルクＴｍを決定する。また、切換え時の出力トルクＴｍｃを記憶しておき、切換え後の出力トルク制御は、切換時の出力トルクＴｍｃを初期値として制御を開始する。
【選択図】図３

Description

この発明は、電動車両に係り、詳しくは、運転者が漕ぐペダルの回転数を駆動指令として走行する電動車両に関するものである。

従来、自転車に代表されるように、入力軸に接続されたクランクのペダルを左右の足で漕ぐことによって、チェーンを介して駆動車輪に駆動力を伝えて前進する車両が存在する。また、このような機械的な動力伝達機構に加えて、電動モータで駆動力を補強するアシスト自転車が提案されている。
一方、これに対して、下記特許文献の通り、機械的な動力伝達機構を持たず、ペダルによる入力装置と、駆動輪を駆動させる駆動装置が電気的に接続されている自転車が提案されている。

特開平８−１０８８８１号公報 特開２０１０−１５８０９０号公報

上記従来の電動自転車では、加速時においては、ペダルはアクセルとして利用され、ペダルの回転量に応じた出力が駆動輪から出力される。このような構成は、加速時においてペダル踏力を増加させなければならない動力伝達方式の一般自転車やアシスト自転車に比較して、高齢者や脚力の弱い運転者にとっては、有益な構成と言える。

ところで、従来の一般自転車において発進する場合には、速度がゼロの状態から加速を行うため、ペダルに加えるトルクは、走行時に比較して大きなトルクが必要とされる。しかし、上記従来の電動自転車では、ペダルの回転数に応じた駆動出力が駆動輪に伝達されるので、発進時に必要とされるペダル操作は、ペダルの踏み込み力ではなく、ペダルの回転数となる。つまり、発進時では、ペダルを力強く踏み込むのではなく、ペダルを軽く踏み込みつつ速く回転させることが必要となる。

このような発進時のペダル操作は、従来の一般の自転車の操作感覚とは掛け離れたものであり、一般の自転車に乗り慣れた運転者にとって、大きな違和感を与えることとなっていた。
この発明は、発進時のペダル操作感が従来の自転車の操作感に沿うものであって、さらに加速時の運転者への負担が軽減される電動車両を提供することを目的とするものである。

以上のような問題を解決する本発明は、以下のような構成を有する。
（１）運転者を載せる車体と、
該車体の前後にそれぞれ支持された前輪と後輪とを有する車両であって、
回転軸を中心に回転するクランクと、前記クランク先端部に設けられ、運転者の踏力を受けるペダルとを有するペダル回転部と、
前記前輪又は前記後輪の少なくとも一方を駆動させるモータと、
前記ペダル回転軸にペダルの踏み込みによって入力されるトルクを検出するペダルトルク検出手段と、
前記ペダル回転軸にペダルの踏み込みによって入力される回転数を検出するペダル回転数検出手段と、
前記車両の車速を検出する車速検出手段と、
前記ペダルトルク検出手段によって検出されたトルクに基づいて前記モータの出力トルクを決定する第１制御手段と、
前記ペダル回転数検出手段によって検出された回転数に基づいて前記モータの出力トルクを決定する第２制御手段と、
前記車速検出手段によって検出された車速に基づいて、前記モータの出力制御を前記第１制御手段と前記第２制御手段との間で切り換える制御変更手段とを備えることを特徴とする電動車両。

（２）前記制御変更手段は、前記車速検出手段によって検出された車速が所定値より小さい場合に第１制御手段を選択し、所定値を超えた場合に第２制御手段を選択する上記（１）に記載の電動車両。

（３）前記制御変更手段は、
前記第１制御手段と前記第２制御手段との間で切り換える際に、切換直前の出力トルクを取得する切換時出力トルク取得手段を有し、
前記第１制御手段及び前記第２制御手段は、更に切換時出力トルク取得手段によって取得された切換直前の出力トルクに応じて、切換後のモータの出力トルクを決定する上記（２）に記載の電動車両。

（４）前記制御変更手段は、
前記第１制御手段から前記第２制御手段へ切り換わった際に、切換直前のペダル回転数を取得する切換時ペダル回転数取得手段を更に有し、
前記第２制御手段は、更に、前記切換時ペダル回転数取得手段によって取得された切換直前のペダル回転数に応じて、切換後のモータの出力トルクを決定する上記（３）に記載の電動車両。

（５）前記制御変更手段は、
前記第２制御手段から前記第１制御手段へ切り換わった際に、切換直前のペダルトルクを取得する切換時ペダルトルク取得手段を更に有し、
前記第１制御手段は、更に、前記切換時ペダルトルク取得手段によって取得された切換直前のペダルトルクに応じて、切換後のモータの出力トルクを決定する上記（３）に記載の電動車両。

請求項１に記載の発明によれば、車速に応じて、駆動モータの出力制御を、ペダルトルクに基づく制御と、ペダル回転数に基づく制御との間で切り換えるので、運転者に対する負担を軽減しつつ、従来の自転車のペダル操作感に沿った操作感を再現する事が可能となる。
請求項２に記載の発明によれば、車速の値が所定値を超えるか否かによって、ペダルトルクに基づく制御とペダル回転数に基づく制御との間で切換えを行うので、切換え判定が容易となる。車速が所定値以下の場合には、ペダルトルクに基づいて出力トルクの制御が行われるので、例えば、発進時などの低速領域でペダル操作感を一般の自転車に沿った操作感とすることができる。また、車速が所定値以上の場合には、ペダル回転数に基づいて出力トルクが制御が行われるので、運転者に負担の少ないペダル操作を実現できる。

請求項３に記載の発明によれば、切換え直前の出力トルクをも考慮して切換後のモータ出力トルクを決定するので、制御の切り換わりに伴う出力トルクの急激な変動が抑制され、運転者に違和感を与えることが少ない。
請求項４に記載の発明によれば、前記第１制御手段から前記第２制御手段へ切り換わった場合には、切換時ペダル回転数をも考慮してモータの出力トルクが決定されるので、制御の切り換わりに伴う出力トルクの急激な変動が、更に抑制され、運転者に違和感を与えることが少ない。
請求項５に記載の発明によれば、前記第２制御手段から前記第1制御手段へ切り換わった場合には、切換時ペダルトルクをも考慮してモータの出力トルクが決定されるので、制御の切り換わりに伴う出力トルクの急激な変動が、更に抑制され、運転者に違和感を与えることが少ない。

本発明の電動車両の側面全体図である。 本発明の電動車両における電気系統の構成を示すブロック図である。 本発明の電動車両のブレーキ制御内容を示すフローチャートである。 本発明の電動車両のモータ出力トルク制御において、ペダル回転数およびペダルトルクと駆動モータの出力トルクとの関係を示すグラフである。

以下、本発明の車両の好適実施形態について、添付図面に基づいて詳細に説明する。図1は、本発明の電動車両１の一実施形態を示すもので、電動自転車の全体斜視図である。車体２は、操作部２０と、本体２１とを備える。操作部２０は、ハンドル２２と、ハンドル２２の回動軸であるステム２２１と、前輪２３ｆを備える。本体２１は、例えば、１本の基体や、複数の部材を組み合わせたフレームで構成されており、この実施形態では、１つの基体で構成されている。本体２１の先端部ヘッドチューブ２１１には、ハンドル２２のステム２２1が回動自在に支持されており、後端部では、従動輪である後輪２３ｂが支持され、制御ユニットＣＵとバッテリユニットＢＵが搭載されている。なお、ハンドル２２には、両端のハンドルグリップ部分２２３にブレーキ操作を入力する制動操作手段としてのブレーキレバー２２４が設けられている。このブレーキレバー２２４には、制動するための操作量を検出する制動検出手段としてのブレーキセンサＢＢＳが設けられている。

一方、本体２１の中央部には、支柱２４が立設され、支柱２４の基端部には発電ユニットＧＵが設けられている。支柱２４の先端部には、サドル２４１が取り付けられている。ステム下端部にはフロントフォーク２２２が接続されており、該フロントフォーク２２２の先端には、駆動輪である前輪２３ｆが設けられている。前輪２３ｆの中心軸部分には駆動モータＭが設けられている。この実施形態では、駆動モータはインホイールモータが用いられている。該インホイールモータの出力軸はフロントフォーク２２２に固定されている。前輪２３ｆは、駆動モータＭの駆動によって駆動輪として回転駆動する。駆動モータＭには、車速検出手段としての駆動輪回転数センサＭＲＳと駆動モータ電流センサＭＴＳが設けられており、駆動輪回転数センサＭＲＳは、駆動輪の回転数を検出し、駆動モータ電流センサＭＴＳは、駆動モータに流れる電流値を検出する。この電流値によって駆動モータＭが出力しているトルクを知ることができる。

発電ユニットＧＵの左右両側には、回転軸としての入力軸が突出し、各左右入力軸は、クランク２５Ｌ、２５Ｒが、それぞれ逆方向に向けて接続されたクランク軸２５０Ｌ（右側のクランク軸２５０Ｒは図示されていない）となっている。左右のクランク２５Ｌ、２５Ｒの先端には、ペダル２５１Ｌ、２５１Ｒがそれぞれ回動自在に支持されている。これらクランク軸２５０Ｌ、クランク２５Ｌ、２５Ｒ及びペダル２５１Ｌ、２５１Ｒによって、ペダル回転部が構成される。

また、発電ユニットＧＵは、発電機Ｇを備え、クランク２５Ｌ、２５Ｒに加えられた踏力が、入力軸を介して回転トルクとして、発電機Ｇのロータに伝達される。発電ユニットＧＵは、入力軸に加わったトルクを発電機Ｇに伝達する機械的な伝達機構、例えば変速装置などを備えてもよい。発電ユニットＧＵは、更に、発電機電流センサＰＴＳ、ペダルトルク検出手段としてのペダル用トルクセンサＰＴＳ、ペダル回転数検出手段としてペダル用回転数センサＰＲＳを備えている。ペダル用トルクセンサＰＴＳは、運転者の踏み込みによってペダルから伝えられるトルクを検出するセンサであり、ペダル用回転数センサＰＲＳは、ペダルの回転数を検出する。発電機電流センサＰＩＳは、発電機に流れる電流値を検出する。この電流値は、発電機によってペダルに与えられる抗力を図るものである。

制御ユニットＣＵは、集積回路及びメモリ等によって構成された車両制御回路ＥＣや、バッテリの放電や充電を制御するバッテリ制御回路ＢＣ、発電機制御回路ＧＣ、モータ制御回路ＭＣを備えている。制御ユニットＣＵに隣接して設けられているバッテリユニットＢＵは、バッテリＢＴと、バッテリＢＴから出力される電流値を検出するバッテリ電流センサＢＩＳ、バッテリＢＴから出力される電圧を検出する電圧センサＢＶＳを備えている。バッテリユニットＢＵは、車体２に対して、機械的及び電気的に着脱自在に設けられており、車体２から取り外した状態で外部電源によって充電可能に構成されている。

バッテリＢＴの電力は、駆動モータＭに供給され、駆動モータＭの回生時には、回生電力がバッテリＢＴに供給される。また、バッテリＢＴの電力は発電機Ｇによってペダル抗力を発生させる際には、発電機Ｇに供給され、発電機Ｇによって発電された電力は、バッテリＢＴに供給されて蓄積される。駆動モータＭと発電機Ｇは、それぞれ電気エネルギーと機械的な回転エネルギーとの間で相互にエネルギー変換を行うアクチュエータであり、駆動モータＭは、主として電力を回転トルクに変換するが、回生時には回転トルクを電力に変換する。また、発電機Ｇは、主として回転トルクを電力に変換するが、ペダルの回転数を制御する場合には、発電機制御回路ＧＣによって電力を回転トルクに変換する場合もある。駆動モータＭは、回転数を制御することで制動手段として機能する。

図２は、本発明の制御系の構成を示すブロック図である。制御系は、車両制御回路ＥＣ、バッテリ制御回路ＢＣ、発電機制御回路ＧＣ、モータ制御回路ＭＣを備え、各車両制御回路ＥＣから他の制御回路へ向けて指示信号が供給される。車両制御回路ＥＣには、各センサから検出値が入力され、入力された値に基づいて、ペダルの回転軸に与える抗力の値、ペダルの目標回転数、目標車速等を決定する。例えば、目標車速は、ペダル用トルクセンサＰＴＳから入力されたペダルトルク値に基づいて決定され、ペダルトルクが検出されない場合には、駆動モータＭの出力トルクは零、即ち駆動モータＭはフリー回転状態となる。

発電機制御回路ＧＣは、車両制御回路ＥＣからペダル目標回転数の指示に基づいて、実際のペダルの回転数が目標回転数となるよう発電機の回転を制御する。具体的には、発電機の電流を制御することにより発電機のロータの回転に抵抗を与え、ペダルの回転数を制御する。
モータ制御回路ＭＣは、車両制御回路ＥＣから供給される出力トルク値に基づいて、駆動モータＭに供給される電流値Ｉｍを求め、駆動モータＭが供給された出力トルク値を出力するように、駆動モータＭに供給される電流を制御する。車両制御回路ＥＣ側で電流値Ｉｍまで演算し、電流値Ｉｍをモータ制御回路ＭＣに供給する構成としてもよい。また、回生時には、駆動モータから得られる回生電力をバッテリＢＴへ供給できるようにバッテリ制御回路を切り換え制御する。

バッテリ制御回路ＢＣは、車両制御回路ＥＣの指示に基づいてモード切り換えを行う。バッテリ制御回路ＢＣは、発電機系統と駆動モータ系統とに分けられ、それぞれについて、駆動モータＭに電力を供給するモード、駆動モータＭからの回生電力を充電するモード及び発電機Ｇに電力を供給するモード、発電機Ｇから発電された電力を充電するモードとの間で、モードの切り換えを行う。

以下、図３に示されているフローチャートに基づいて、本発明の駆動制御処理について説明する。車速Ｖを検出する（ステップＳ１０１）。その車速Ｖは、駆動輪回転数センサＭＲＳから供給される駆動輪の回転数に基づいて算出される。このステップＳ１０１によって車速検出手段が構成される。次にステップＳ１０１で取得した車速Ｖと所定値βと比較する（ステップＳ１０３）。この所定値βは、一般の自転車において、発進時から加速されて、加速が不要となる通常走行状態、換言すると、ペダルを特に強く踏み込んで加速する必要がなく、略一定速度で走行ができる程度の状態となった場合の最低車速、即ち安定走行車速に設定することができる。

或いは、発進時から加速されて、サドルに跨っている状態で地面に足を付けて支えなくても自転車のペダルに足を載せていられる程度の車速状態での最低車速に設定することができる。又は、前記安定走行車速と最低車速との間の値に設定してもよい。所定値βをこのような値に設定することによって、少なくとも大きなトルクをペダルに加えなければならない発進時においては、ペダルトルクに基づく駆動出力トルクの制御が行われる。これにより、一般自転車のペダル操作感との乖離が著しい発進時におけるペダル操作感を、ペダルトルクに基づく駆動出力制御とすることにより、一般自転車の操作感に近づけることができる。また、安定走行状態ではペダル回転数に基づく駆動出力制御が行われるので運転者の負担を軽減したペダル操作感覚を発揮することができる。

車速Ｖが所定値βより小さい場合には（ステップＳ１０３：Ｖ＜β）、ペダルトルクＴをペダル用トルクセンサＰＴＳから取得する（ステップＳ１０５）。次に、ステップＳ１０５で取得したペダルトルクＴに定数Ａを掛けて駆動モータＭの出力トルクＴｍを算出する（ステップＳ１０７）。この定数Ａの値は、一般自転車におけるペダルクランク軸に設けられたスプロケットの径と、駆動輪に設けられたスプロケットの径の比と同程度の値にすることができる。このような値とすることで、車両発進時において、ペダル操作に基づく加速感を、一般の自転車の加速感に似たものとすることができる。

ステップＳ１０７で決定された出力トルクＴｍは、該トルクＴｍが駆動モータＭから出力できる電流値Ｉｍに変換されて（ステップＳ１０９）、モータ制御回路ＭＣに供給され（ステップＳ１１１）、最終的にモータ制御回路ＭＣの制御によって駆動モータＭから出力トルクＴｍが出力される。ステップＳ１０５及びステップＳ１０７で第１制御手段が構成される。

ステップＳ１０３において、車速Ｖが所定値βとなった場合には（ステップＳ１０３：Ｖ＝β）、その時点でペダル回転数Ｎｃをペダル回転数センサＰＲＳから取得する（ステップＳ１１３）。更に、その時点でのペダルトルクＴｃをペダル用トルクセンサＰＴＳから取得する（ステップＳ１１５）。そして、ステップＳ１１５で取得したペダルトルクＴｃに、発進時の換算定数Ａを掛けて、切換時の出力トルクＴｍｃを算出する（ステップＳ１１７）。以降はステップＳ１０９へ移行して駆動モータＭからトルクＴｍｃが出力される。ステップＳ１１３によって切換時ペダル回転数取得手段が構成される。ステップＳ１１５及びステップＳ１１７によって切換時出力トルク取得手段が構成される。ステップＳ１１５によって切換時ペダルトルク取得手段が構成される。

ステップＳ１０３において、車速Ｖが所定値βより大きい場合には（ステップＳ１０３：Ｖ＞β）、ペダル回転数センサＰＲＳによりペダル回転数を取得する（ステップＳ１１９）。次に、駆動モータＭの出力トルクＴｍを決定する（ステップＳ１２１）。出力トルクＴｍは、切換時の出力トルクＴｍｃに、切換時のペダル回転数Ｎｃと切換後のペダル回転数Ｎとの差に基づいて決定された増加分トルクΔＴを加えることで得られる。

ステップＳ１１９で取得したペダル回転数Ｎと、ステップＳ１１３で取得した、切換時ペダル回転数Ｎｃとの差に基づいて、切換時出力トルクＴｍに加えられる増加分トルクΔＴを演算する。増加分トルクΔＴは、ペダル回転数Ｎと切換時ペダル回転数Ｎｃとの差［Ｎ−Ｎｃ］に基づく関数Ｇ（Ｎ−Ｎｃ）であらわされ、少なくとも［Ｎ＝Ｎｃ］の場合には、ΔＴは０となる関数である。関数Ｇの一例を示すと、ペダル回転数の一次関数とすることができる。

ΔＴ＝Ｂ*（Ｎ‐Ｎｃ）で、ペダル回転数の増分［Ｎ‐Ｎｃ］に、定数Ｂを掛けた値が、増加分トルクΔＴとなる。さらに、駆動モータＭの出力トルクＴｍを演算する。出力トルクＴｍは、トルクに基づく出力トルク制御から回転数に基づく出力トルク制御に切り換わった時のトルクＴｍｃに、切換時ペダル回転数Ｎｃと切換後のペダル回転数Ｎとの差分に応じて演算された増加分トルクΔＴを加えることで得られる。
Ｔｍ＝ΔＴ＋Ｔｍｃとなり、Ｔｍ＝Ｂ*（Ｎ‐Ｎｃ）＋Ｔｍｃとなる。このように駆動モータＭの出力トルクＴｍを取得し、以降はステップＳ１０９へ移行して駆動モータＭからトルクＴｍｃを出力させる。上記ステップＳ１１９及びステップＳ１２１によって、第２制御手段が構成される。

図４には、車速Ｖが所定値βよりも小さい状態から、加速されて所定値βとなり、さらに所定値βより大きくなった場合の、駆動モータＭの出力トルク（縦軸）に対するペダルトルクとペダル回転数（横軸）の関係が示されている。車速Ｖが所定値βとなって制御内容が切り換わった場合に、制御の切換えに伴う出力トルクの変動が起きないように、ペダル回転数に基づく出力トルク制御に移行した際には、切換時出力トルクＴｍｃが初期値となるように構成されている。このようにペダルトルクに基づく駆動制御とペダル回転数に基づく駆動制御の間の切換えに際して、運転者に違和感が生じない様に構成されている。

以上は、加速されていった場合における駆動モータＭの出力トルク制御に関する説明である。同様に、減速されて、車速が所定値βより大きい状態から小さい状態になった場合の駆動制御処理について説明する。減速状態における駆動制御処理においても、その内容は増速の場合と略同様であるので、図３のフローチャートに基づいて説明し、共通部分の説明は省略する。実際の走行において、ペダルにトルクや回転数を与えている状態で、車速が減速するといった走行状況は少ないが、例えば急こう配の坂道を登っている状況などが該当する。

車速Ｖが所定値βより大きい場合には（ステップＳ１０３：Ｖ＞β）、ステップＳ１２１における出力トルクは、Ｔｍ＝Ｃ*Ｎであり、取得されたペダル回転数Ｎに定数Ｃを掛けた値として得られる。また、車速Ｖが所定値βとなった場合には（ステップＳ１０３：Ｖ＝β）、ステップＳ１１７において、出力トルクＴｍｃは、Ｔｍｃ＝Ｃ*Ｔｃであり、切換時ペダル回転数Ｎｃに定数Ｃを掛けた値として得られる。車速Ｖが所定値βより小さくなった場合には（ステップＳ１０３：Ｖ＜β）、ステップＳ１０７において、出力トルクＴｍは、Ｔｍ＝Ｄ*（Ｔ−Ｔｃ）＋Ｔｍｃであり、切換時ペダルトルクＴｃとペダルトルクＴとの差に定数Ｄを掛けた値に、切換時出力トルクＴｍｃを加えた値として得られる。
以上の説明は電動車両として自転車を例に挙げて説明したが、前後に車輪を有する二輪車に限らず、三輪車や、前輪と後輪が二輪づつある四輪車であってもよい。また、駆動輪は、前輪でなく後輪であってもよい。

１ 電動車両
２ 車体
２２ ハンドル
２２４ ブレーキレバー
２４１ サドル
２３ｆ 駆動輪
２３ｂ 従動輪
Ｍ 駆動モータ
ＣＵ 制御ユニット
ＢＵ バッテリユニット
ＧＵ 発電ユニット

Claims (5)

1. 運転者を載せる車体と、
   該車体の前後にそれぞれ支持された前輪と後輪とを有する車両であって、
   回転軸を中心に回転するクランクと、前記クランク先端部に設けられ、運転者の踏力を受けるペダルとを有するペダル回転部と、
   前記前輪又は前記後輪の少なくとも一方を駆動させるモータと、
   前記ペダル回転軸にペダルの踏み込みによって入力されるトルクを検出するペダルトルク検出手段と、
   前記ペダル回転軸にペダルの踏み込みによって入力される回転数を検出するペダル回転数検出手段と、
   前記車両の車速を検出する車速検出手段と、
   前記ペダルトルク検出手段によって検出されたトルクに基づいて前記モータの出力トルクを決定する第１制御手段と、
   前記ペダル回転数検出手段によって検出された回転数に基づいて前記モータの出力トルクを決定する第２制御手段と、
   前記車速検出手段によって検出された車速に基づいて、前記モータの出力制御を前記第１制御手段と前記第２制御手段との間で切り換える制御変更手段とを備えることを特徴とする電動車両。
2. 前記制御変更手段は、前記車速検出手段によって検出された車速が所定値より小さい場合に第１制御手段を選択し、所定値を超えた場合に第２制御手段を選択する請求項１に記載の電動車両。
3. 前記制御変更手段は、
   前記第１制御手段と前記第２制御手段との間で切り換える際に、切換直前の出力トルクを取得する切換時出力トルク取得手段を有し、
   前記第１制御手段及び前記第２制御手段は、更に切換時出力トルク取得手段によって取得された切換直前の出力トルクに応じて、切換後のモータの出力トルクを決定する請求項２に記載の電動車両。
4. 前記制御変更手段は、
   前記第１制御手段から前記第２制御手段へ切り換わった際に、切換直前のペダル回転数を取得する切換時ペダル回転数取得手段を更に有し、
   前記第２制御手段は、更に、前記切換時ペダル回転数取得手段によって取得された切換直前のペダル回転数に応じて、切換後のモータの出力トルクを決定する請求項３に記載の電動車両。
5. 前記制御変更手段は、
   前記第２制御手段から前記第１制御手段へ切り換わった際に、切換直前のペダルトルクを取得する切換時ペダルトルク取得手段を更に有し、
   前記第１制御手段は、更に、前記切換時ペダルトルク取得手段によって取得された切換直前のペダルトルクに応じて、切換後のモータの出力トルクを決定する請求項３に記載の電動車両。

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